基于等针入度的沥青固有与改善性能的流变性分析

张海涛， 黄 爽

(东北林业大学土木工程学院，哈尔滨 150040)

近些年来，中国公路交通发展迅猛，国家投入建设力度逐渐增强，对沥青路面的使用性能及耐久性要求也越来越高，进而对路面各种材料的各方面性能要求也越来越高，所以近几年道路路面大都选择黑色路面，也就是沥青，因为黑色路面相比白色路面，性能要更好一些。道路沥青在生产、运输、铺设和使用过程中受自然因素和其他因素的影响，性能会产生比较大的变化，且不同的沥青产生的影响也会有很大的不同，但都会影响使用性能[1-3]。对于基质沥青和改性沥青的某些性质，还需进一步研究，这对以后的试验或者实际应用都具有重要的作用。

为了更好地了解沥青的性质，把沥青的性能分为固有性能与改善性能。沥青的固有性能为基质沥青本身就存在的不做任何改变的性能，沥青的改善性能为通过添加一种或几种改性剂，短期或长期老化、再生等不同的手段对基质沥青进行改变之后所具有的性能。

沥青是典型的具有流变性能的黏弹性材料，在低温和短期荷载的作用下，沥青呈弹性状态，在较高温度和长期荷载的作用下，呈现黏弹性或黏性状态，但在大多数情况下，沥青都以黏弹性状态存在，所以对于沥青研究的内容广泛且复杂。近些年各国的沥青研究学家对沥青的黏弹特性和高温流变性等性能也都做了深入的研究，取得了较为丰富的成果[4-6]。但是随着经济的发展，拥有车辆的家庭越来越多，对路面的使用性能的要求会增加，普通的路面已不能满足要求，改性沥青的出现很好地解决了这个问题。张煌等[7]采用流变模型测量SBS改性沥青的流变性，发现在不同温度下，不同掺量的SBS改性沥青可采用不同流变性模型表示；徐鸿飞[8]利用动态剪切流变仪测量3种沥青得到相应参数，研究了参数与温度及老化的关系；Booshehrian等[9]建立模量曲线研究不同沥青掺量对再生沥青的动态流变性的影响。但对沥青的固有与改善的流变性能并没有很好的研究说明。通过分析基于等针入度的沥青固有与改善性能的流变特性，分别研究沥青固有性质下的流变性与改善性能下的流变性，再将两者进行比较。研究结果对未来改善沥青的性能要求具有一定的理论意义与参考价值。

1 材料设计与试验方法

1.1 材料设计

试验用沥青有盘锦90#沥青和SBS改性沥青。基本指标如表1所示。

表1 沥青的技术指标

1.2 试验方法

分别将基质沥青和SBS改性沥青加热5 h和20 h，得到不同老化时间的沥青，再进行不同温度的针入度试验和软化点、135 ℃黏度等试验，在此基础上对沥青高温耐久性进行分析。

2 试验结果与分析

2.1 不同老化时间的沥青残留针入度分析

试验结果如表2、图1所示。

表2 不同老化时间的沥青残留针入度

图1 不同老化时间的沥青残留针入度变化Fig.1 Chart of asphalt residue penetration at different aging time

从图1可以看出，老化对沥青针入度有很大的影响，当加热5 h时对针入度的影响相对较明显，之后就逐渐减少。所以可见5 h是一个临界时间点，3个图中在5 h的时间点上沥青的残留针入度基本上都是SBS沥青>90#沥青>90#沥青老化5 h。3种沥青在25 ℃情况下针入度变化大体相似，但在5 ℃和15 ℃条件下，SBS改性沥青的抗老化能力明显优于另外两种沥青。所以3种沥青抗老化能力由强到弱依次为SBS沥青>90#沥青>90#沥青老化5 h。综上，改性沥青比基质沥青和老化后的沥青耐久性好。

沥青老化后使得沥青内部组分发生变化，所以沥青会变硬，针入度变小，在中国北方适用于针入度大的沥青，否则由于气温的原因，路面会更容易开裂，而南方地区则适用于针入度相对小一点的沥青。所以北方常用90#沥青，南方常用70#沥青，但随着改性沥青不断推广使用，北方逐渐用SBS沥青代替90#沥青。随着科学技术的发展和对材料的不断创新，将来可能还会有别的复合改性沥青代替现在的单一改性沥青。

2.2 其他指标分析

不同情况下的3种沥青的延度、软化点、及135 ℃黏度试验结果如表3所示。

通过表3数据可知，当老化时间增加，5 ℃和15 ℃的延度均降低，而且在15 ℃时沥青延度的变化比5 ℃大得多，说明温度的改变对沥青的延度有很大的影响，软化点均升高，135 ℃黏度也均升高。SBS改性沥青变化较其他沥青变化小，说明这种沥青抗老化性能较好，与上面的结果一致。

表3 不同老化时间的沥青残留延度、软化点及135 ℃黏度

3 沥青固有与改善性能流变学分析

3.1 沥青固有与改善性能流变学模型

在沥青流变性的理论研究中，一般用塑性元件、弹性元件和黏性元件或串联或并联或串联加并联的方式组成相应的模型来分析不同种材料的流变学特征。通过流变学模型可以建立流变学方程，明确应变与应力、时间等之间的关系，随之可以分析不同时间下的各种材料的变化特征。如果可以成功地建立流变学模型就可以更好地了解材料的流变特性。图2所示为基本的Burgers模型。

图2 Burgers模型Fig.2 Burgers model

根据美国的公路战略研究计划(strategic highway research program，SHRP)规范可知，如果知道E1、Z1、E2、Z2这4个参数，就可以了解各种沥青的黏弹性能。黄卫东等[10]曾用微膜式滑板黏度计做了关于基质沥青与改性沥青的黏度试验，得到改性沥青的各参数较基质沥青都有所增加，但改性沥青的黏性系数比基质沥青增大了12倍，说明改性后的沥青抗变形能力得到了大幅度的提升，同时也说明了基质沥青的抗变形能力不如改性沥青。

3.2 动态剪切流变试验

实验室研究沥青的流变性大多使用动态剪切试验，利用动态剪切流变(dynamic shear rheological，DSR)试验测定了沥青的两个参数即复数剪切模量G*和相位角δ，得到高温稳定性指标车辙因子G*/sinδ，从而进行数值分析。在试验过程中采取的5个温度分别是52 ℃、58 ℃、64 ℃、70 ℃和76 ℃，准备了6种沥青，原样沥青包括90#沥青、SBS沥青，老化5 h沥青包括90#沥青、SBS沥青,老化20 h的90#沥青、SBS沥青。试验结果如表4、图3所示。

表4 不同试验温度下6种沥青的车辙因子Table 4 Rutting factors of six kinds of asphalt at different test temperatures

图3 6种沥青在不同温度下的车辙因子Fig.3 Rutting factors of six kinds of asphalt at different test temperatures

车辙因子G*/sinδ是沥青的高温稳定性指标，G*/sinδ越大表示抗车辙能力越强，如图3所示，随着温度的升高，车辙因子在不断下降，在同一温度下原样SBS沥青>短期老化5 h SBS沥青>基质沥青>短期老化基质沥青，但是很明显无论是原样沥青，还是短期老化沥青，基质沥青车辙因子都比SBS沥青小，所以在沥青的流变性能方面，SBS改性沥青优于90#基质沥青，改善后的沥青性质要比沥青固有的性质好。与上面的结论相呼应。但在老化20 h后SBS改性沥青的抗高温稳定性不如90#沥青，所以当老化增加到一定时间时，改性沥青在某些性能方面不一定比基质沥青强。

4 结论

(1)由试验结果可知，当老化时间不断增加，针入度、延度不断下降，软化点、135 ℃黏度不断增加，且基质沥青下降的速度和增加的速度都不如改性后的沥青，可得出SBS改性沥青的针入度、延度、软化点，基本优于基质沥青的结论。因此可以说明沥青改善之后的性能优于原有的性能。

(2)基于流变学理论，通过DSR试验发现SBS改性沥青的车辙因子明显比基质沥青的大，说明SBS沥青比基质沥青具备更好的抗高温车辙能力，但当两种沥青分别老化20 h后，其车辙因子发生不同的变化，在相同温度下90#沥青老化20 h后车辙因子明显增加，但SBS沥青却在降低，且当同时老化20 h后，无论在哪个温度点90#沥青比SBS沥青车辙因子都大，所以当老化时间过长后改性沥青的抵抗高温稳定性不一定比基质沥青强。

(3)SBS改性沥青的流变性能会受到很多因素的影响，包括温度、改性剂的掺量、改性沥青混合在一起的时间等，这些都会影响其性质，使其发生较大的变化。试验验证了温度变化带来的影响，温度越高，无论是基质类沥青还是改性类沥青的车辙因子都会下降。且当老化时间增加，90#沥青的车辙因子还会比SBS改性沥青大。所以选择合适的改性沥青对未来的路面使用效果都会产生不一样的影响。